Heizen mit Erdwärme
Oberflächennahe Geothermie (Erdwärmepumpe)
Hydrothermale Geothermie
Petrothermale Geothermie
Erdwärme lässt sich für die Raumwärme, für die Brauchwassererwärmung und für die Kühlung von Gebäuden einsetzen. Besonders effizient ist die Verteilung von Erdwärme über Nahwärmenetze.
Wärmeversorgung mit oberflächennaher Geothermie
Die oberflächennahe Geothermie nutzt die Wärme, die in den obersten Erdschichten bis 400 Meter oder im Grundwasser gespeichert ist. Sie lässt sich mit Erdwärmepumpen für einzelne Gebäude erschließen. Wärmepumpen machen die Wärme aus der Erde, der Umgebungsluft oder dem Grund- oder Abwasser für die Warmwasserbereitung und Raumwärmeerzeugung nutzbar, indem sie deren Temperatur auf ein höheres Niveau steigern.
Erdwärmepumpen "zapfen" dazu zunächst die natürliche Erdwärme mit Erdsonden oder Erdkollektoren an. In einer Erdwärmesonde in ca. 100 Meter Tiefe erwärmt sich eine Flüssigkeit (z.B. Wasser) auf bis zu 13°C. Bohrungen für Erdsonden sind für Einfamilienhäuser meistens zwischen 50 bis 150 Meter tief und haben einen Durchmesser von ca. 14 bis 16 cm.
Alternativ kann Wasser auch in einem Erdwärmekollektor zirkulieren und dort auf eine Temperatur von maximal 10°C erwärmt werden. Der Kollektor breitet sich im Gegensatz zur Erdsonde auf einer ausgedehnten Fläche horizontal in nur ca. 100 - 150 cm Tiefe aus.
Die erwärmte Flüssigkeit aus der Erdsonde bzw. dem -kollektor wird an die Erdoberfläche gefördert. Die Erdwärmepumpe überträgt die Erdwärme aus der Erdsonde bzw. aus dem Kollektor auf einen Wärmeträger. Der Wärmeträger nimmt diese Wärme auf und verdampft schnell. Der elektrische Kompressor der Erdwärmepumpe erhöht den Druck und verdichtet den Dampf. Dadurch steigt dessen Temperatur. Die Wärme kann dann in einem Pufferspeicher gesammelt werden und für die Warmwasserbereitung und als Raumwärme zur Verfügung gestellt werden.
Die Erdwärmepumpe nutzt die Tatsache, dass sich Gase unter Druck erwärmen. Dieser Effekt ist z.B. bei einer Fahrrad-Luftpumpe zu spüren. Die Wärmepumpe hebt die Erdwärme auf ein höheres Temperaturniveau, das für eine Heizungsanlage notwendig ist. Für die Bereitstellung von 3 – 5 Kilowattstunden Wärme benötigt sie ca. 1 Kilowattstunde Strom, der den elektrischen Kompressor antreibt. Kurze Stromausfälle kann die Heizungsanlage überbrücken. Ohne diese Energiezufuhr von außen funktioniert aber keine Wärmepumpe.
Der Wärmebedarf eines durchschnittlichen Einfamilienhauses kann durch eine Erdwärmepumpe mit einer Leistung von rund 12 kW vollständig gedeckt werden. Die Wärmepumpe benötigt zur Erzeugung einer bestimmten Wärmemenge stets Strom. Ohne diese Energiezufuhr von außen kann oberflächennahe Erdwärme nicht nutzbar gemacht werden. Das Verhältnis von eingesetzter Strommenge zur gesamten Wärmemenge sollte optimal beim Verhältnis 1 : 4 und höher liegen. Mit einer Kilowattstunde Strom kann die Wärmepumpe dann 4 Kilowattstunden Wärme bereitstellen. Das Verhältnis von eingesetztem Strom zur bereitgestellten Wärmemenge wird auch als Jahresarbeitszahl bezeichnet – in diesem Fall ist die Jahresarbeitszahl 4,0.
Bei Energiepfählen und anderen erdberührten Betonbauteilen handelt es sich um statische Notwendigkeiten bei Neubauten. Diese können mit Wärmetauscherrohren ausgerüstet werden. In Verbindung mit einer Wärmepumpe lassen sich auch größere Gebäudekomplexe wirtschaftlich beheizen und kühlen. Auch Tunnel- und andere Verkehrsbauteile können genutzt werden, um Erdwärme bereitzustellen. So lassen sich z.B. auch Verkehrswege im Winter eisfrei halten.
Nutzung und Potenziale
In Deutschland nutzten im Jahr 2008 rund 150.000 Gebäude eine Erdwärmepumpe. Im Neubaubereich nutzen rund ein Zehntel der Gebäude Erdwärmepumpen. Das Potenzial ausschließlich der oberflächennahen Erdwärmenutzung beträgt - bei Berücksichtigung aller geeigneten Flächen - jährlich rund 261 Mrd. kWh. Das entspricht rund einem Fünftel des gesamten deutschen Wärmeverbrauchs im Jahr 2007.
Wärmeversorgung mit Tiefengeothermie
Tiefengeothermie bezeichnet die Nutzung von Erdwärme aus mehr als 400 Meter Tiefe. In Deutschland nutzen traditionell z.B. Thermalbäder Wärme aus Tiefengeothermie.
Wird auf natürlich vorhandenen Wasserdampf oder heißes Thermalwasser in tiefen Gesteinsschichten zurückgegriffen, spricht man von hydrothermaler Geothermie. In Deutschland dominiert die Nutzung von Thermalwasserfeldern, deren Wasser mit Temperaturen zwischen 40 und 100°C entweder von alleine an die Erdoberfläche tritt oder über Bohrungen mit Pumpen gefördert werden kann. Besonders günstige Voraussetzungen bieten z.B. die Thermalwasserfelder im Alpenvorland, im Oberrheingraben und in der norddeutschen Tiefebene.
Das Thermalwasser wird zunächst an die Erdoberfläche gepumpt. Es fließt in einem geschlossenen Kreislauf und überträgt seine Wärme mit Hilfe eines Wärmetauschers an einen zweiten Kreislauf. In diesem zweiten Kreislauf zirkuliert ein schnell verdampfender Wärmeträger bzw. Wasser. Der Wärmeträger liefert dann über diesen zweiten Kreislauf Wärme zum Heizen und zur Warmwasserbereitung. Das wieder abgekühlte Thermalwasser wird über den ersten geschlossenen Kreislauf wieder in die Tiefe gepumpt, wo es sich erneut erhitzt. Der hohe Mineralgehalt von Thermalwasser macht die Trennung in zwei geschlossene Kreisläufe (so genannter "Dublettenbetrieb") notwendig.
Bei entsprechenden Temperaturen und Auslegung des geothermischen Kraftwerks kann der verdampfende Wärmeträger auch eine Turbine zur Stromerzeugung antreiben, bevor z.B. über ein Nahwärmenetz Wärme bereitgestellt wird.
Bei der petrothermalen Geothermie kann im Gegensatz zur hydrothermalen Geothermie nicht auf natürlich vorhandenen Wasserdampf oder Thermalwasser zurückgegriffen werden. Die petrothermale Geothermie "sitzt auf dem Trockenen". Dennoch kann die natürliche Wärme des heißen Gesteins in ca. 2.000 - 6.000 Meter Tiefe genutzt werden. Die Verfahren der petrothermalen Geothermie werden daher auch als "Hot-Dry-Rock-Verfahren" bezeichnet.
Dabei wird in künstlich vergrößerte Risse und Klüfte unter hohem Druck Wasser eingepresst. Das Wasser erhitzt sich im ca. 200°C heißen Gestein. Eine Förderbohrung pumpt das ca. 90 - 150°C heiße Wasser dann wieder an die Erdoberfläche. Dort kann es wie bei der hydrothermalen Geothermie über Wärmetauscher für die Wärmeversorgung genutzt werden. Sinnvoll ist die gleichzeitige Stromerzeugung mit einer zwischengeschalteten Turbine.
Die bereitgestellte Erdwärme wird für Siedlungen oder Einzelgebäude, für die Industrie und Treibhäuser, Fischzucht, landwirtschaftliche Trocknungsprozesse oder für Thermal- und Hallenbäder genutzt. Durch Mehrfach- oder "Kaskadennutzung" kann eine Effizienzsteigerung erreicht werden, d.h. jene Nutzer, die die größte Energiemenge benötigen, werden dabei zuerst versorgt. So kann ein geothermisches Heizkraftwerk optimal ausgelastet werden.
Nutzung und Potenziale
Das Bundesumweltministerium schätzt die Wärmebereitstellung aus Tiefengeothermie im Jahr 2008 auf 160 Mio. kWh. Der Großteil der ca. 167 Anlagen zur Wärmeversorgung mit Tiefengeothermie lieferte Wärme für Gebäudekomplexe und Thermalbäder. Etwa 13 geothermische Heizkraftwerke speisten 2008 Erdwärme in Nahwärmenetze ein. Drei geothermische Heizkraftwerke (Neustadt-Glewe, Landau, Unterhaching) erzeugten in Kraft-Wärme-Koppelung gleichzeitig auch Strom aus Erdwärme. Etwa 15 weitere geothermische Heizkraftwerke sind 2009 in Planung. Das Potenzial ausschließlich der hydrothermalen Geothermie wird auf jährlich ca. 300 Mrd. kWh geschätzt. Das entspricht 22 % des gesamten deutschen Wärmeverbrauchs im Jahr 2007.
Quellen:
BMU: Tiefe Geothermie in Deutschland. Berlin 2007.
BMU: Geothermie - Energie für die Zukunft. Berlin 2004.
Verband Beratender Ingenieure (VBI): Leitfaden Oberflächennahe Geothermie. Berlin 2008.
Weitere Informationen:
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